基于單片機的加熱爐溫度控制器的設計-資料下載頁

【導讀】還介紹了在加熱爐溫度控制系統的軟硬件設計中的一些主要技術關鍵環節,該。/數轉換電路,過零檢測電路,報警與指示電路,光電隔離與功率放大電路等構成。度控制系統設計中不可缺少的一部分，該系統對溫度進行了實時采集與檢測。硬件設計、軟件設計、系統調試及主要技術性能參數。

　　

【正文】 D控制器的微分方程為： y(t)= KP[e(t)+1/T1*∫ e(t)dt+TD * de(t)/dt 式中 y(t)為控制器的輸出； e(t)為控制器的輸入； KP比例放大系數； TI為控制器的積分時間常數； TD為控制器的微分時間常數。 顯然， KP越大，控制器的控制作用越強；只要 e(t)不為 0，積分項會因積分而使控制器的輸出變化；只要 e(t)有變化的趨勢，控制器就會在微分作用下，在偏差出現且偏差不大時提前給輸出一個較強的控制作用。 由于微機控制系統是一種時間離散控制系統，故必須把微分方程 離散化為差分方程，最終寫出遞推公式才能直接應用。下面給出增量型和位置型的具體公式： Δ Y（ n） =Y(n)Y(n1) =KP[e(n)e(n1)]+KIe(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] Y(n)=Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] 式中 KI=KPTiT ，稱為積分常數； KD=KP TTd ，稱為微分常數 ,Δ t=T，為采樣周期； e(t) 為第 n次采樣的偏差值； e(n1)為第 (n1)次采樣時的偏差值； n為采樣序列， n=0,1,2,?。 T 的確定 采樣周期 T是兩次采樣之間的時間間隔。從信號的復線性來考慮，采樣周期不宜過長或者說采樣頻率 sf 它有一定的限度，就是根據采樣定律，它必須大于或等于 原信號，所含最高頻率的兩倍。因此，從控制性能來考慮，采樣周期越短越好。但是，計算機的工作時間和工作量卻隨著采樣周期的減小而增大，所以每一個回路都有一個最佳的采樣周期。 決定采樣周期 T的因素有很多，其中包括：加于對象的干擾信號頻率，對象的動態特性，使用的控制算法和執行器的類型，控制回路數，對象所要求的控制質量等。 總的來說，當計算機精度足夠時，采樣周期與對象控制回路的過渡過程時間和主要擾動的周期相比往往要小的多，以盡量減少控制偏差的滯后性。 通常的采樣周期都按下表的經驗數據加以選擇： 25 表 41 采樣周期 T 的選用 物理量 采樣周期 \s 備注 流量 1— 5 優先選用 1— 2s 壓力 3— 10 優先選用 6— 8s 液位 6— 8 溫度 15— 20 或取純滯后時間對串級系統：復環 T=（ — ）主環 T 成分 15— 20 根據上表所示，本系統的 PID 控制算法選用的采樣周期 T=20s 。 PID 參數整定是一個復雜的過程，一般需要根據被控對象慢慢進行。常用的方法有擴充臨界比例度整定法和擴充響應曲線法兩種。但是這兩種方法在實際應用中比較麻煩。因此在實際應用中常用經驗法確定 PID 的參數。即 根據調節規律，及不同調節對象的特征，通過閉環試驗，反復湊試，找出最佳調節參數。 本次設計的 PID 控制參數選用經驗法的一種 — 優選法進行確定，具體做法為：根據經驗，先把其他參數固定，然后用 法對其中某一參數進行優選，待選出最佳參數后，再換另一個參數進行優選，直到把所有的參數優選完畢為止。最后根據 T， PK ， IT ,DT諸參數優選的結果選一組最佳值即可。 在本控制系統中，加熱爐溫度與給定值的偏差經過單片機 PID算法運算后控制可控硅的開度，所以應采用式（ 7）的位置式算法。 KP， KI， e(n),e(n1)分別放在 89C51單片機片內 RAM的 26H， 27H,29H,2AH中， PI結果 YPI（ n）放在 R3R4中，則 PI控制程序如下 : PI： MOV A， 29H ； e(n) CLR C SUBB A， 2AH ； e(n)e(n1) MOV B， 26H ； KP LCALL MULTS ； KP [e(n)e(n1)] MOV R4， A MOV R3， B ；暫存于 R3R4 MOV A， 29H ； e(n) MOV A， 27H ； KI LCALL MULTS ； KI e(n) ADD A， R4 MOV R4， A MOV A， B ADDC A， R3 26 MOV R3， A ； R3R4= KP [e(n)e(n1)]+ KI e(n) RET MULTS： CLR F0 ；置 e(n)符號標志位為正 JNB ， MUL1 SETB F0 ；置 e(n)符號標志位為負 CPL A INC A ；取絕對值 MUL1： MUL AB JNB F0， MUL2 CPL A ADD A， 1 MOV R2， A MOV A， B CPL A ADDC A， 0 MOV B， A MOV A， R2 ；還原為補碼 MUL2： RET 控制面板的設計 控制面板的介紹 ℃上限 下限 溫度值 參數值+ 設置 退出 對一般用戶來說不需要知道系統內部的具體結構，只需知道如何進行操作即可，因圖 51 控制面板 27 此控制面板就成為人和工作機進行交流的十分重要平臺，在現代化的市場經濟中，產品的外觀設計對吸引購買者也起著很重要的作用，所以控制面板的設計是一個非常講究技巧和美觀的工作。 本人本著簡潔明快、實用、操作友好的思想，同時從一定的審美角度進行面板的設計，設計所得的控制面板如圖上圖所示控制面板。 在控制面板上，可以清楚的看到有一個 4 位的數碼管顯示器，鍵盤上一共有四個按鍵，分別是設“ +”、“ — ”、“設置”、“退出”， 還設有四個工作指示燈，分別為：溫度上限值、溫度下限值、溫度值及參數值。 控制面板的功能 控制面板上的 4位 LED 顯示器能精確顯示加熱爐溫度值，控制面板不進行任何操作時， LED 顯示器顯示的就是當前加熱爐溫度值。設置按鍵是用來設定加熱爐的溫度上、下限，加熱溫度值及各種參數。并且指示燈與設定狀態相對應。具體操作如下：長按設定按鍵即可進入設定狀態，第一次長按設定按鍵 (3s 左右），進入溫度上限值設定，同時溫度上限指示等亮，此時按“ +”、“ — ”鍵便可對溫度上限值進行設定，設定好數值后按退出鍵，系統退出設置模式 ， LED 顯示器顯示加熱爐溫度值。連續兩次長按設定按鍵，進入溫度下限值設定，并且溫度下限值指示燈亮，此時可輸入溫度下限值。連續三次長按設定按鍵，進入溫度值設定，連續四次長按設定按鍵，進入加熱爐參數設定。 28 5 系統調試 系統調試通常包括實驗室硬件聯調、實驗室軟件聯調、實驗室系統仿真、仿真考機運行和現場安裝調試等幾個環節。在系統總裝以后，首先要進行實驗室條件下的系統硬件聯調；聯調成功以后，有了硬件操作保證，就很容易發現軟件的錯誤，在軟件調試過程中，有時也會發現硬件故障，軟件故障完畢， 硬件中的隱藏問題也能被發現和糾正；在進入現場以前，還必須在實驗室條件下把存在的問題充分暴露，并加以解決，通常是用模型代替實際系統進行完全仿真調試，通過后進行連續不停機的 48h考機運行，正確無誤后再進入現場安裝，運行成功并經過一定時間的使用，最終驗收合格才算完成整個系統的設計工作。 下面通過硬件和軟件兩方面介紹相應的調試方法。 硬件調試方法 常見的硬件故障有： 邏輯錯誤 它是由設計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路、相位錯等。 元器件失效 有兩 方面的原因：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯誤造成元件失效，如電解電容、二極管的極性錯誤、集成電路安裝方向錯誤等。 可靠性差 引起可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統時好時壞，經不起振動；內部和外部干擾、電源紋波系數大、器件負荷過大等造成邏輯電平不穩定；走線和布局不合理也會引起系統可靠性差。 電源故障 若樣機有電源故障，則加電后很容易造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設計要求，電源引線和插座不對，功率不足，負載能力差等。 聯機調 試 通過脫機調試可排除一些明顯的硬件故障，但有些故障還必須通過聯機調試才能發現和排除。 聯機前先斷電，將單片機開發系統的仿真頭插到樣機的 89C51插件上，檢查開發機和樣機之間的電源、接地是否良好。一切正常后，即可打開電源。 通電后執行開發機的讀寫指令，對樣機的存儲器、 I/O端口進行讀寫操作、邏輯檢查，若有故障，可用示波器觀察有關波形（如選中的譯碼器輸出波形、讀寫控制信號、地址數據波形以及有關的控制電平）。通過對波形的觀察分析，尋找故障原因并進一步排除故障。可能的故障有：路線連接上有邏輯錯誤、有斷路 或短路現象、集成電路失效 29 等。 在樣機主機部分調試好后，可以插上系統的其他外圍部件，例如鍵盤、顯示器、輸出驅動板、 A/D及 D/A板等，再對這部分進行初步調試。 在調試過程中若發現用戶系統工作不穩定，可能有下列情況：電源系統供電不足，或聯機時公共地線接觸不良，或用戶系統主板負載過大，或用戶的各級電源濾波不完善等。對這些問題一定要查出原因并加以排除。 脫機調試 在樣機加電以前，先用萬用表等工具根據硬件電氣原理和裝配圖仔細檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號、規格和安裝是否符合要求，特別應 注意電源的走線，防止電源線之間短路和極性錯誤，并檢查擴展系統總線是否存在相互短路或與其他信號線的短路。 對于樣機所用電源，事先必須單獨調試。調試好后，檢查其電壓值、負載能力、極性等均符合要求，才能加到系統的各個部件上。在不插芯片的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，仔細測量各點電位是否正常，尤其應注意 89C51插座上各電位是否正常，若有高壓，聯機時將損壞仿真器。 在脫機調試中，發現系統無法復位，經檢查知電路中沒有接入復位電路，經接入上電復位方 式的復位電路后，系統運行正常。 軟件調試方法 軟件調試與所 選用的軟件結構和程序設計技術有關。如果采用模塊程序 設計技術，則逐個模塊分別調試。調試各子程序時一定要符合現場環境，即入口條件和出口條件。調試手段可采用單步或設置斷點運行方式，通過檢查系統 CPU 的現場，ARM的內容和 I/O口的狀態，檢查程序執行結果是否符合設計要求。通過檢測可發現程序中的死循環錯誤、機器碼錯誤及轉移地址的錯誤。同時也可以發現用戶系統中的硬件故障，軟件算法及硬件設計錯誤。在調試過程中不斷調試用戶系統的軟件和硬件，逐步通過一個個程序模塊。 各模塊通過以后，可以把有關的功能塊聯合起來一起進行綜合 調試。在這個階段若發生故障，可以考慮各子程序在運行時是否破壞現場，緩沖單元是否發生沖突，標志位的建立和清除在設計上有無失誤，堆棧區域有無溢出，輸入設備的狀態是否正常等等。若用戶系統是在開發機的監控下運行時，還要考慮用戶緩沖單元是否和監控程序的工作單元發生沖突。 單步和斷點調試后，還應進行連續調試，這是因為單步運行只能驗證程序的正確與否，不能確定定時精度， CPU的實時響應等問題。待全部調試完成后，應反復運行多次，除了觀察穩定性之外，還要觀察系統的操作是否符合原始設計要求，安排的用戶操作是否合理等，必要時應再作 適當的修正。 如果采用實時多任務操作系統，一般是逐個任務進行調試，調試方法與上述基本類 30 似，只是實時多任務操作系統的應用程序是由若干個任務程序組成，一般是逐個任務進行調試，在調試某個任務時，同時也調試相關的子程序、中斷服務程序和一些操作系統的程序。調試好以后，再使各個任務程序同時運行，如果操作程序無錯誤，一般情況下就能正常運行。